納米保溫油管的研究及應(yīng)用

王磊磊，梁志艷，蔣 磊，趙忠文，涂 東

(中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司， 新疆 輪臺(tái) 841604)

塔河油田位于新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺(tái)縣與庫車縣境內(nèi)，主力油藏為奧陶系碳酸鹽巖縫洞型油藏，平均井深6 200 m，稠油密度介于0.92～1.12 g/cm3，平均黏度(50 ℃)為450 000 mPa·s、最高黏度(50 ℃)為1 500 000 mPa·s，屬于典型的超稠油油藏，開采難度極大。經(jīng)過多年的實(shí)踐，摻稀降黏已成為塔河超稠油區(qū)最主要的降黏工藝之一，面對(duì)稀稠油差價(jià)大的嚴(yán)峻形勢(shì)，摻稀降黏效益下滑，通過礦物絕緣電纜加熱工藝節(jié)約稀油效果顯著，但礦物絕緣加熱技術(shù)存在能耗高、電網(wǎng)負(fù)載大的問題，難以有效推廣，因此急需開發(fā)出一種低碳節(jié)能的井筒降黏技術(shù)實(shí)現(xiàn)稠油的高效舉升。

1 技術(shù)原理

納米保溫油管是將具有耐高溫、耐高壓、耐防腐、防碰撞及耐磨等性能的超低導(dǎo)熱系數(shù)材料納米聚硅氣凝膠噴涂在現(xiàn)有油管上形成5 mm的超薄保溫涂層，滿足塔河超深井耐高溫、耐高壓的同時(shí)降低了油管的導(dǎo)熱系數(shù)，減少地層產(chǎn)出液的沿程溫度損失，從而實(shí)現(xiàn)提高溫度場(chǎng)，降低摻稀油用量的目的。納米保溫油管與常規(guī)油管基本性能對(duì)比如表1所示。

表1 納米保溫油管與常規(guī)油管基本性能對(duì)比表

Table 1 Comparison of basic performance between nano heat preservation tubing and conventional tubing

參數(shù)項(xiàng)目常規(guī)油管納米保溫油管外徑/mm73/8978/94內(nèi)徑/mm60/7660/76管壁導(dǎo)熱系數(shù)/[W·(m·K)-1]400.045管壁熱阻/[(m·K)·W -1]0.0001750.11耐溫/℃400常溫型180耐高溫型400最高耐壓/MPa10050抗拉強(qiáng)度/MPa常溫700700機(jī)械性能耐磨、耐碰撞耐磨、耐碰撞最大下深/m55004000維修性能可修復(fù)可修復(fù)

穩(wěn)態(tài)平板法是測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)的重要方法，首先在保溫管內(nèi)外各放置1個(gè)溫度傳感器，向保溫油管內(nèi)灌入不同溫度的同一液體，在保溫油管內(nèi)外形成溫差；其次記錄從溫度較高的保溫管內(nèi)部傳入溫度較低的油管外部時(shí)形成溫差所需的時(shí)間；最后通過單位面積傳遞的熱量計(jì)算保溫管的導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]，經(jīng)過廣泛調(diào)研后優(yōu)選4種導(dǎo)熱系數(shù)低的材料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，經(jīng)過5次試驗(yàn)納米聚硅氣凝膠隔熱效果最好，結(jié)果如圖1所示。

2 保溫預(yù)測(cè)

TH12266X井150/3000電泵下深2 800 m，長(zhǎng)期以45 Hz穩(wěn)定生產(chǎn)，油壓為2.0 MPa、井溫為40 ℃、日產(chǎn)液37 t、日摻稀60 t、動(dòng)液面960 m，測(cè)試顯示2 600 m處流溫80 ℃。實(shí)施超薄絕熱外涂層保溫油管后效果計(jì)算如下：

2.1 熱工計(jì)算

(1)油管壁散熱功率：

Q=K(T液-T環(huán))S

其中：Q為散熱功率；K為綜合放熱系數(shù)；T液為油液溫度；T環(huán)為水泥環(huán)外面溫度；S為散熱面積。

(2)放熱系數(shù)計(jì)算：

k=2πr(1/R)

式中：r為油管外半徑；R為管壁總熱阻。

(3)溫降與管壁熱阻關(guān)系：

(T液-T井口保溫前)·R保溫前=(T液-T井口保溫后)·R保溫后

其中：T液為泵掛處的油液溫度；T井口保溫前為保溫前的油液出井口溫度；R保溫前為保溫前的油管管壁熱阻；T井口保溫后為保溫后的油液出井口溫度；R保溫后為保溫后的油管管壁熱阻。

(4)油液的實(shí)際散熱功率：

Q=((日產(chǎn)量×1 000 kg/T)/24)0.65(85 ℃-40 ℃)/0.86

式中：0.65為比熱容；0.86為熱量功率轉(zhuǎn)換系數(shù)。

(5)保溫油管的熱阻：

R管=r×(1/λ)Ln

式中：Ln為保溫后油管直徑/保溫前油管直徑；λ為納米保溫涂層的平均導(dǎo)熱系數(shù)0.047 W/(m·K)；r為油管保溫前的半徑，44.5 mm。

2.2 計(jì)算過程

已知T液=80 ℃，T井口保溫前=40 ℃，產(chǎn)量=97 t/d，T環(huán)為地面地層溫度，取10 ℃，S為油管散熱面積，保溫涂層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.047 W/(m·K)。首先根據(jù)保溫前的實(shí)際管壁散熱功率Q=K(T液-T環(huán))S計(jì)算出保溫前的油管放熱系數(shù)k前；其次從k前=2πr*(1/(R前))計(jì)算R前；再次根據(jù)保溫油管熱阻公式計(jì)算出保溫后油管保溫層增加的熱阻R管，保溫后的總熱阻=R前+R管；最后根據(jù)油液溫降與管壁熱阻的關(guān)系計(jì)算保溫后的井溫。

(1)納米保溫前的井筒綜合放熱系數(shù)k：取地面段T環(huán)為10 ℃，則2 600 m井段油液與地層平均溫差(T液-T環(huán))為(40 ℃-10 ℃)/2=15 ℃；S=2 600 m×3.14×0.089 m=727 m2，納米保溫油管下深2 600 m，該深度流溫為80 ℃，油液比熱為0.65 kcal/kg·c，則納米保溫前的總散熱功率Q=((97×1 000)/24)×0.65(85 ℃-40 ℃)/0.86=122 189 W，則k前=10.08，R前=0.027。

(2)采用納米保溫油管后的總熱阻為：

R管=r×(1/λ)·Ln(0.099/0.089)

式中：λ為納米保溫涂層的平均導(dǎo)熱系數(shù)，為0.047 W/m·K；r為油管半徑，為44.5 mm，則R管=0.1。

考慮納米保溫油管兩端預(yù)留作業(yè)處的散熱損失，將R后修正為R管=0.1×0.5=0.05，保溫油后的總熱阻R總=R前+R管=0.027+0.05。

(3)采用納米保溫油管后的井溫T井口保溫后=80 ℃-((80 ℃-40 ℃)·0.027)/(0.027+0.05)=66 ℃，較保溫前的井溫40 ℃高出26 ℃。

2.3 計(jì)算結(jié)果

理論計(jì)算結(jié)果表明，納米氣凝膠外涂層保溫油管下至2 600 m地面井溫可達(dá)到66 ℃，較使用前提高65%，溫度保有率為82.5%，損失率為17.5%，較使用前溫?fù)p失率50%降低32.5%，可有效降低摻稀量。

TH12266X井150/3000電泵下深2 800 m，生產(chǎn)中45 Hz穩(wěn)定正常，2018年5月26日進(jìn)行納米氣凝膠外涂層保溫降黏礦場(chǎng)試驗(yàn)，截止目前運(yùn)行396 d，平均井溫提升16 ℃，累計(jì)節(jié)約稀油3 168 t，累計(jì)增油1 185 t，日耗電下降92 kW·h。礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：納米保溫油管在稠油井中具有良好的適應(yīng)性，增產(chǎn)、降稀油效果顯著。

3 結(jié)論

(1)納米氣凝膠外涂層保溫油管是一種低碳節(jié)能保溫工藝，可取代礦物絕緣電纜進(jìn)行稠油提溫降黏，具有一定的推廣價(jià)值；

(2)納米保溫油管最大下深2 800 m，位于超稠油區(qū)黏溫拐點(diǎn)以下，滿足舉升要求，且保溫油管可重復(fù)使用；

(3)納米保溫油管在塔河超稠油區(qū)應(yīng)用效果好，達(dá)到了降低井筒溫度損失、節(jié)約稀油用量、增加產(chǎn)能的目的；

(4)現(xiàn)有納米保溫油管在油管兩端預(yù)留處散熱損失大，在預(yù)留作業(yè)處將外涂層改為內(nèi)涂；

(5)納米保溫涂層油管工藝不僅可實(shí)現(xiàn)井筒保溫開采，也可用于地面管線進(jìn)行保溫集輸，實(shí)現(xiàn)全節(jié)點(diǎn)、全方位保溫開采。